********************************************************************** セッションS3-a チュートリアルテーマ：仮想化な，まああてにすなひどすぎる乱立講師：竹岡尚三（アックス）日時：2009/08/28 10:30 〜 11:50 参加人数：約50名 ********************************************************************** ■講師説明有名な仮想化ソフトウェア・Vmware ・HyperV ・Virtual PC ・Parallels ・Xen ・KVM ・VirtualBox 　VMwareがメジャー組込みに適用できる最低要件　マルチプラとフォームである　　OSやCPUはたくさん種類がある　ソースコードが提供される　　信頼性，品質の向上を独自に行えるというのがあるのではないか　エンタープライズ・サーバと事情は近い　　仮想化においては組込みと近い仮想化とは　VMという言葉には定義がたくさんあり，仮想マシン・仮想機械と言ってしまう．　英語でもVirtual Machineである．　　仮想化技術(VM)とJava仮想マシン(JavaVM)は無関係（寄り道して）仮想マシン・インタープリタとは　仮想マシンの機械語命令を実行時に解釈して実行する実行系　有名な仮想マシン（インタープリタ）　JavaVM 　UCSD-Pシステム　Smalltalk80 　Warren Abstract Machine(WAM) 　（豆知識：WAMの実行速度が速かったので流行した） VMの歴史　VMwareは2000年くらいから　仮想化技術は最近注目されているが，かなり昔から存在していた　System/360 ではCP-40（ハイパバイザ）でCMS（ゲストOS）を切換えてマルチユーザを実現した　1966: System/360 　1972: System/370-VS（仮想記憶システム）　1982: 68010発表　　　　仮想機械と仮想記憶をサポートしたアーキテクチャ　2003: Xen VMとは　機械が複数あるように見える　VMでは仮想機械は実際の機械をしらない　完全なメモリの分離 VMとマルチタスクはどう違うか　OSの数が違う，OSは仮想機械ごとに動く　VMでは仮想機械ごと動く（OSがない場合もある）　IOが独立している　　マルチタスクOSではIOはシステム全体で共用する　　VMでは仮想化された独立IOが与えられる　　別の仮想機械のIOを知っていることはない　仮想機械ごとに完全に独立，不干渉　　片方の仮想機械のＯＳが落ちても別の仮想機械はうごくので安全である VMの簡単な構造・ハイパバイザ　実計算機の資源管理を行う・仮想機械　（豆知識：仮想機械をゲスト機械（マシン）と呼ぶことはない　　　　　　ユニバーサル・ホストという計算機アーキテクチャで実現されている　　　　　　ハードウェア計算機をゲストマシンと呼ぶ）・仮想機械内のOS -> ゲストOS ・実計算機上のOS -> ホストOS ハイパバイザ用のレジスタが実機械に合ったとしても，仮想機械は気がつかない　仮想機械から見えてはいけない　仮想機械と実機械で差がないのが理想である　実機械にハイババイザを含むかどうか違うので定義が重要　歴史的にはハイパパイザ用の特殊機能なしに仮想化を行っていた　実機械と仮想機械は完全に同じレジスタセットを持っていた　IBM S/360, S/370では　　ハイパバイザだけがスーパバイザモードで動作　　仮想機械のスーパバイザはだまされて動作　　CPUステータスレジスタを読み書き仕様とすると特権例外が発生し，スーパバイザに制御が移るハイパバイザのお仕事　資源管理　　メモリ　　CPU時間　　IO 　　　HDD 　　　プリンタ　　　端末　　　ネットワーク　　　その他（組込みではこれがおおい）　VM間通信　IOシミュレート（豆知識：昔流行ったμカーネルMachは仮想空間を資源として管理していた）メモリ管理　仮想機械が動きますといったら実メモリマップを使う　メモリアクセスには多くの場合特権命令が必要．　それをハイパバイザはtrapして実メモリとの対応をとる役割をしている（だましている）　仮想機械同士が干渉しないようにする　仮想機械間で情報が漏れないようにする　　他の仮想機械のメモリを読み書きできてはいけない　仮想計算機の肝はページテーブル管理 CPU時間の管理　CPU時間が適切に割り当たるようにする　公平に割り当てるのがいいとは限らない　　そもそも公平とは　　組込みでは実時間性が重要　実時間性について　　割込みルーチンは仮想機械内で動くのか，ハイパバイザ内で動くのか　　ハイパバイザが消費する時間はどう管理するか IO管理　大型機（System370等）のIOとはIOチャンネルというのが普通　　DMAと同様に専用プロセッサがいる　なんでもIOチャンネルなので仮想化が容易　　直接IOポートをたたいていないから　　割込みはシミュレートしやすい　　例：HDDのセクタ読みだし，プリンタ，ネットワーク　IOチャンネルにセットするDMAアドレスを　　仮想機械内の空間のアドレス -> 実アドレス　と変換すればよい　割り込みはハイパバイザが受け，ソフトウェア割込み等で仮想機械に渡す　　直接仮想機械に割込みことも，ハードウェア支援があれば難しくない　組込み世界にありがちなこと　　IOポートは仮想化できるのか？割り込み番号はどうする？　　直接IOポートをたたいているデバイスドライバはどうなるか？　ソフトウェアに気付かれずにIOポートを見せるにはアドレス変換が必須　割込み　　遅めであればハイパバイザ介在でできる　　高速割込みなら，割込み番号の食い違いを割込みルーティングという技術を　　使って解決するハイパバイザは対話できない　仮想機械のゲストOSからハイパバイザサービスを起動するしかない　ハイパバイザと直接やりとりする方法はない　＊XENはハイパバイザとホストOSが一体なので例外的 Xen 　ホストOSは仮想機械（Dom0）の1つが担当する　一度ホストOSががんばって別の仮想機械にわりあてる KVM 　ホストOS兼ハイパバイザのLinuxが全てやる　仮想機械のIO処理にQEMUを使う　Linuxカーネルを拡張し，ハイパバイザ機能を付加　ハイパバイザが複雑　　セキュリティホールがあったら・・・仮想化用ハードウェア　Vt-x 　AMD-V 　68010 Intel Vt-x 　Extended Page Tables(EPT) 　　ページテーブルに属性を増やす　Intel's Virtualization Technology for Directed I/O (VT-d) 　　いわゆるIOMMU 68010 　MOVE from SRを特権命令とした（68000ではユーザモードでも読み出せた）　CPUのシステムステータスレジスタ読み出しでがなにかしようとしたら，Hypervisor 　を起動エンタープライズ/デスクトップPCの仮想化の方向　Windows でも組込みではLinuxが必要　Macを使っていてもWindowsが欲しかったりする　エンタープライズ系はネットワーク性能が重要でCPU性能があまりがちなので仮想化　しやすい　エンタープライズでは，ホストOSは各社ネイティブかLinux 　　Xen, VirtualBox, KVMがいい感じ組込みでの仮想化　情報系をLinux/Windows，実時間系をRTOS（μITRON）で　複数の仮想機械で，複数のRTOSを動作させる組込みの要件　実時間性　　CPUパワーの配分　　Linux,WindowsがとりすぎてRTOSが動かないのはナンセンス　　　デバイスドライバは仮想機械内で動作しているのでそのサービスはさせなければ　　　ならない　　情報系ゲストOSのユーザがデバドラをどこで動かしたいかが重要　こけてもこけない　　ハイリアリアビリティ（高信頼性）　　ロバストネス（堅牢性）　　ディペンだビリティ（高可用性）　マイグレーション　　仮想機械を他の実機械にまるごと引越し　　フォールトしたら，少し前の仮想機械イメージで再会　　ディペンダブルな組込みでは，仮想機械によるマイグレーションをすべき参考文献など　VM（OSシリーズ11）　　岡崎世雄/全先実著，1981/AUG，共立出版　　ISBN 4-320-02405-2 　Xen 　　http://www.xen.org/ 　KVM 　　http://www.linux-kvm.org/page/Main_Page 　Kernel-based Virtual Machine (KVM) for Itanium Architecture 　　http://www.ice.gelato.org/apr07/pres_pdf/gelato_ICE07apr_kvm_yu_intel.pdf ■質疑応答　IOの仮想化とかも共通するので，ISSも仮想化技術にいれてよいのではないかと　思えるのだが　　仮想化は命令セットの変換はしないのでオーバヘッドがない　仮想化のどれだけ資源を使っているかの差でしかないのかと思うが　　仮想機械というなかにどこまで含めるかということであると思う　理想的にはハイパバイザはシンプルでOSを切換えるだけだが，実際は共有メモリが　あったりするので現実は複雑　マルチコアCPUだったりするとCPUパワーの配分はどうあるべきなのか　　ハイパバイザは結構適当にやっている　ハイパバイザを作ると割り込み処理が変わるのでこの部分のすりあわせをどうすべきか　　直接アドレスを書いているところはなんらかの変換をするしかない　　しかし，そうでなければどう書くのかというのは今後も議論が続くことだと思う　　Xenとかの仮想化技術はこれから組込みに適用していく項目なので皆さんで情報交換　　していきたいと思っている ■まとめ仮想化は乱立が激しい．エンタープライズ系では実時間に関する要請が低いため，仮想機械の実時間性についてはあまり考慮されていない．組込み分野への仮想化技術の適用はまだ始まったばかりである．割込みやハイパバイザなどの問題は今後も議論していくべきことである．以上